第二章 內(nèi)燃機工作循環(huán)

2023/2/31第二章內(nèi)燃機的工作循環(huán)§2－1內(nèi)燃機理想循環(huán)§2－2內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率§2－3內(nèi)燃機實際循環(huán)2023/2/32§2－1內(nèi)燃機理想循環(huán)內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán)——

一系列非常復雜的物理、化學過程組成。工質(zhì)存在質(zhì)和量的變化，物理、化學過程，存在不可逆損失，準確地描述內(nèi)燃機的工作過程十分困難。2023/2/33一、理想循環(huán)的簡化假設(shè)二、非增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)三、渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)2023/2/34一、理想循環(huán)的簡化假設(shè)（1）工質(zhì)是一種理想氣體，在整個循環(huán)中保持物理及化學性質(zhì)不變，其狀態(tài)參量的變化完全遵守氣體狀態(tài)方程。（2）不考慮實際存在的工質(zhì)更換以及漏氣損失，工質(zhì)數(shù)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進行的。2023/2/35（3）把氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓縮和膨脹看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱交換，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。（4）用假想的定容放熱和定容或定壓加熱來代替實際的換氣和燃燒過程。2023/2/36二、非增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)1、定容加熱理想循環(huán)2、定壓加熱理想循環(huán)3、混合加熱理想循環(huán)2023/2/371、定容加熱理想循環(huán)a-c絕熱壓縮過程；c-z定容加熱過程；z-b絕熱膨脹過程；b-a定容放熱過程；2023/2/38

工質(zhì)沿zb線膨脹至b點，容積的變化用后膨脹比δ表示，即

沿定容線cz的壓力升高用壓力升高比λ表示，即2023/2/39

定容加熱理想循環(huán)的熱效率：說明：加熱過程在定容條件下很快完成，熱效率僅與壓縮比有關(guān)；絕熱指數(shù)k在實際循環(huán)中變化不大，ηt主要隨ε增大而提高；2023/2/310壓縮比的提高在實際情況下有一定限制，不宜大于10～13；按照定容加熱循環(huán)方式工作的有汽油機、煤氣機等點燃式內(nèi)燃機。2023/2/3112、等壓加熱理想循環(huán)a-c，絕熱壓縮過程；c-z，定壓加熱過程；z-b，絕熱膨脹過程；a-b，定容放熱過程；2023/2/312

工質(zhì)以等壓方式吸熱Q1，容積的變化用初始膨脹比ρ表示，即

定壓加熱理想循環(huán)的熱效率：2023/2/313說明：加熱過程在定壓條件下緩慢完成，負荷的增加使熱效率下降；熱效率隨壓縮比的增大而提高，隨初始膨脹比的增大而降低；初始膨脹比的大小標志著內(nèi)燃機負荷的大小，ρ增大，q1增大，ηt減?。话凑斩▔杭訜嵫h(huán)方式工作的有低速柴油機和燃氣輪機。2023/2/3143、混合加熱理想循環(huán)a-c，絕熱壓縮過程；c-y，定容加熱過程；y-z，定壓加熱過程；z-b，絕熱膨脹過程；b-a，定容放熱過程；返回2023/2/315說明：熱效率ηt隨壓縮比ε和壓力升高比λ的增大而提高；混合加熱理想循環(huán)熱效率：ηt隨ρ的增大而降低；2023/2/316在極端情況下，當λ＝1時，內(nèi)燃機即以定壓循環(huán)方式工作當ρ＝1時，內(nèi)燃機即以定容循環(huán)方式工作混合加熱理想循環(huán)是高速柴油機理想循環(huán)的模型。2023/2/317三、渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)

典型的理想循環(huán)要損失一部分蘊藏于排氣中的能量。

假若使工質(zhì)由pz一直膨脹到進氣壓力pa，——繼續(xù)膨脹循環(huán)。2023/2/318分析：

繼續(xù)膨脹循環(huán)更完善，它在相同的加熱量下能多得一部分功，使ηt提高。實際上，利用排氣渦輪，使工質(zhì)在渦輪中繼續(xù)膨脹作功來實現(xiàn)繼續(xù)膨脹循環(huán)；壓縮過程并不全在氣缸內(nèi)進行，先在增壓器中進行預(yù)壓縮，從而提高循環(huán)的平均壓力pt；

所以，繼續(xù)膨脹循環(huán)是對各種廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機進行熱力學分析的基礎(chǔ)。2023/2/3191、脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)脈沖渦輪增壓——

充分利用廢氣的脈沖能量在渦輪中作功2023/2/320a、無中冷脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)a-c，絕熱壓縮過程；c-y，定容加熱過程；y-z，定壓加熱過程；z-b，絕熱膨脹過程（氣缸）；b-g，絕熱膨脹過程（渦輪）；g-a’，定壓放熱過程；a’-a，絕熱壓縮（壓氣機）過程；返回2023/2/3212、有中冷脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)為了提高進氣密度，加大進氣量，通常冷卻增壓器后的進缸空氣；與無中間冷卻循環(huán)之間，差別僅多一個在等壓條件下向冷卻器的放熱過程ka。2023/2/322

具有空氣中間冷卻的脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率：ηc－空氣在中冷器內(nèi)的溫降比，εk－增壓器的壓縮比，ε0－增壓內(nèi)燃機的總壓縮比，πk－增壓器的增壓比，返回2023/2/3232、定壓渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)定壓渦輪增壓——

在渦輪中不能利用廢氣的動能注意：渦輪前的壓力一般與pa相近。原因：防止氣門重疊時，排氣總管中的廢氣倒流入進氣管。2023/2/324a’-a，壓氣機中的絕熱壓縮過程；a-c，氣缸中的絕熱壓縮過程；c-y，定容加熱過程；y-z，定壓加熱過程；z-b，絕熱膨脹過程；b-a，定容放熱過程；a-f，定壓加熱過程；f-g，渦輪中的絕熱膨脹過程；g-a’，渦輪中的定壓放熱過程。2023/2/325

具有空氣中間冷卻的定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率：返回2023/2/3263、結(jié)論渦輪增壓器與內(nèi)燃機聯(lián)合工作是：內(nèi)燃機理想循環(huán)的最佳方案；改善內(nèi)燃機性能的有效途徑。（1）預(yù)壓縮空氣，提高進氣密度，強化內(nèi)燃機的作功能力。（2）使內(nèi)燃機理想循環(huán)進行的更加完善。2023/2/327§2－2內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率從循環(huán)熱效率出發(fā)分析各種內(nèi)燃機理想循環(huán)；探討選擇內(nèi)燃機循環(huán)方式和提高循環(huán)熱效率的途徑。2023/2/328

根據(jù)循環(huán)熱效率的定義，導出內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的通用表達式：熱效率、影響因素2023/2/3291、空氣冷卻的影響

有空氣冷卻比無空氣冷卻的循環(huán)總效率低，但是影響很小。在實際內(nèi)燃機中，對循環(huán)效率的影響更小。

對空氣進行中間冷卻，是強化內(nèi)燃機的有效措施。2023/2/3302、廢氣能量利用的影響

在一定的ε0和循環(huán)加熱量的情況下，廢氣能量的利用可能出現(xiàn)三種情況：（1）當(πT/πk)max=pb/pa=λρk時，循環(huán)熱效率最高，即式（2-4）。（2）當πT/πk＝1，即pf/pg≈pk/pa’時，即式（2-5）。（3）當πT/πk最小，即πT＝1時，廢氣能量利用率為零，即機械增壓。2023/2/331機械增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的公式：注意：機械增壓不適合采用較高的增壓壓力。原因：在機械增壓的情況下，增壓壓力越高，經(jīng)濟性越差。2023/2/3323、混合加熱理想循環(huán)

將πk＝1，πT＝1，ηc＝1代入式（2-7），得到一般混合加熱理想循環(huán)熱效率公式：在極端情況下，當λ＝1時，內(nèi)燃機即以定壓循環(huán)方式工作當ρ＝1時，內(nèi)燃機即以定容循環(huán)方式工作2023/2/333比較上述三種理想循環(huán)的熱效率可以看出：當壓縮比相同，吸熱量相同時：ηtv＞ηtm＞ηtp2023/2/334當最高壓力相同，最高溫度相同，壓縮比不同時：ηtp＞ηtm＞ηtv2023/2/335§2－3內(nèi)燃機實際循環(huán)

內(nèi)燃機的實際循環(huán)是工質(zhì)在氣缸中實際所經(jīng)歷的物理、化學過程，可實測得到內(nèi)燃機示功圖：返回換氣過程1、22023/2/336

實際循環(huán)有較多的損失，熱效率較低，作功也較少，具體表現(xiàn)在以下五個方面：1、工質(zhì)不同理想循環(huán)的工質(zhì)，性質(zhì)不變，比熱容不變。實際循環(huán)的工質(zhì)，燃燒前燃燒過程中及燃燒后不同；比熱容隨溫度升高而上升；高溫分解使循環(huán)熱效率下降。2023/2/3372、氣體流動阻力理想循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有任何流動阻力損失。實際循環(huán)是開式循環(huán)，有一定的流動阻力損失。3、傳熱損失理想循環(huán)，無傳熱損失。在實際循環(huán)，存在傳熱損失。2023/2/3384、燃燒不及時、后燃及不完全燃燒損失理想循環(huán)，示功圖上方呈方角形，無燃燒損失。實際循環(huán)，示功圖上方呈圓弧形，存在燃燒不及時損失。在內(nèi)燃機中，后燃延續(xù)上止點后才能結(jié)束。少量燃油來不及燃燒即隨排氣排出，引起不完全燃燒損失。2023/2/3395、漏氣損失理想循環(huán)，無漏氣損失。實際循環(huán)，活塞環(huán)與氣缸壁之間常有微量工質(zhì)漏出，存在漏氣損失。2023/2/340一、壓縮過程

壓縮過程是為膨脹作功作準備的過程；也是為燃燒創(chuàng)造條件的過程；是“欲取之，必先于之”；是“為了更遠的一躍而后退”。2023/2/3411、壓縮過程的作用1）壓縮過程擴大了工作循環(huán)的溫度范圍；2）壓縮過程使循環(huán)的工質(zhì)得到更大的膨脹比，對活塞作更多的功；3）壓縮過程提高了工質(zhì)的溫度和壓力，為冷機啟動及著火創(chuàng)造了條件。2023/2/3422、理想循環(huán)和實際循環(huán)壓縮過程比較

開始和結(jié)束時刻不同；工質(zhì)數(shù)量和比熱容變化不同；熱力學過程不同；傳熱過程不同。2023/2/3433、壓縮比的選擇1）具有外部混合氣形成及外源點火式的內(nèi)燃機

在工質(zhì)成分均勻的條件下，為了提高內(nèi)燃機的性能，應(yīng)該力求高的壓縮比。

壓縮比上限的取值應(yīng)考慮燃料的性質(zhì)、可燃混合氣的成分、傳熱的條件以及燃燒室的結(jié)構(gòu)等因素。原因：可燃混合氣早燃或爆燃的限制。2023/2/3442）壓燃式內(nèi)燃機

為使柴油機可正常工作，其壓縮比下限的取值必須使壓縮終了的空氣溫度不低于燃料著火燃燒的自燃溫度。

實際上壓縮比的取值應(yīng)該遠高于最低壓縮比。2023/2/345原因：1）提高壓縮終點的溫度可使燃油著火滯燃期縮短，燃燒時不會導致壓力急劇升高，可以保證內(nèi)燃機能柔和地工作；2）較高地壓縮終點溫度使內(nèi)燃機具備低溫工作的可能性，以及可靠地冷機啟動性能；3）提高壓縮比使內(nèi)燃機具有較高地循環(huán)熱效率。2023/2/346柴油機壓縮比上限也受到多種因素的限制：1）提高壓縮比將使壓縮終點的壓力pc以及相應(yīng)的最高燃燒壓力pz均有所增加，從而曲柄連桿機構(gòu)要承受較大的機械負荷；2）隨著作用于活塞上的最大壓力升高，機械磨損加劇，機械效率下降，增壓內(nèi)燃機更加如此；3）隨著溫度的升高，CO2分解成CO，以及燃燒產(chǎn)物中NO的數(shù)量增壓，使內(nèi)燃機排放的氣體毒性加??；2023/2/347

所以，選擇柴油機壓縮比的依據(jù)是其最小值，只要能保證燃油可靠著火即可。2023/2/348結(jié)論：

壓縮比的取值取決于內(nèi)燃機的使用條件及其結(jié)構(gòu)特點。不同型式內(nèi)燃機的壓縮比的大體范圍如下：化油器式汽油機6.5～11.0煤氣機6～10非增壓柴油機15～22增壓柴油機機11～162023/2/3494、多變指數(shù)的確定a、初期，工質(zhì)的溫度低于周圍表面的溫度，n1＞k1；b、工質(zhì)的平均溫度與燃燒室表面的平均溫度相等時，瞬時絕熱，n1＝k1；c、末期，工質(zhì)的溫度高于燃燒室表面的溫度，n1＜k1。2023/2/350說明：1）實際壓縮行程是一個變指數(shù)多變壓縮過程，可用一個平均多變壓縮指數(shù)n1＝1.32～1.39代替；2）在整個壓縮階段有熱量傳出，但是，總的熱量不大，實際壓縮行程十分接近絕熱過程；3）周壁散熱強度及充量擾動的速度、氣缸尺寸、曲軸轉(zhuǎn)速等是影響多變壓縮指數(shù)大小的主要因素。2023/2/351

根據(jù)有關(guān)資料，推薦下列n1的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，供選用時參考：水冷汽油機1.36～1.39風冷汽油機1.39～1.42煤氣機1.37～1.39非增壓柴油機（活塞冷卻）1.35～1.40增壓柴油機（活塞冷卻）1.32～1.372023/2/3525、壓縮終點的狀態(tài)參數(shù)

確定ε和n1后，根據(jù)多變狀態(tài)方程，得壓縮終點的狀態(tài)參數(shù)：2023/2/353二、燃燒過程

燃燒過程是將燃料中的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，是一個極為復雜的物理化學過程。如圖2-6上cz線所示，實際循環(huán)與理想循環(huán)的燃燒過程有所不同。2023/2/354三、膨脹過程

——內(nèi)燃機的作功過程，工質(zhì)的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。

實際循環(huán)與理想循環(huán)的膨脹過程有所不同：

絕熱等熵過程。存在熱交換和漏氣損失，后燃和裂解物質(zhì)的復合，是一個復雜的熱力過程。2023/2/3551、主要原因：（1）燃燒過程的后期滲透于膨脹過程的初期，后燃或多或少總是存在的。膨脹過程的起點：最大燃燒壓力點z，以燃燒過程的緩燃及后燃為主。膨脹過程終點：排氣門開啟點b，以工質(zhì)膨脹為主。2023/2/356（2）膨脹過程中存在高溫分解產(chǎn)物的重新化合，并放出熱量，工質(zhì)成分也發(fā)生了變化。（3）工質(zhì)向周壁傳熱情況比較復雜。工質(zhì)與周壁間的溫度差不斷變化：a、散熱面積不斷擴大，活塞運動速度不斷變化；b、工質(zhì)與周壁間的傳熱系數(shù)不斷變化。（4）工質(zhì)有微量泄漏，數(shù)量也有變化。（5）比熱容也在不斷變換。2023/2/3572、多變指數(shù)的確定a、初期，放熱量較多，接近等溫膨脹，n2≈1；b、在z1z2段，放熱量較初期少，但仍大于工質(zhì)散往周壁的熱量，工質(zhì)仍受熱，n2＜k2；c、在z2z3段，后燃減少，化合作用仍在進行，二者放熱量接近傳給周壁的熱量，瞬時絕熱，n2＝k2；d、在z2b段，后燃消失，化合作用仍在進行，二者放熱量低于工質(zhì)傳給周壁的熱量，n2＞k2；2023/2/358說明：1）實際膨脹行程是一個變指數(shù)多變膨脹過程，可用一個平均多變壓膨脹指數(shù)n2代替；2）影響n2的因素有內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速、燃燒速度、氣缸尺寸及負荷情況等。2023/2/359a、轉(zhuǎn)速增加時，其總效果是使n2變小；b、燃燒速度越快，后燃越少，即在燃燒階段的熱利用系數(shù)ξ